在二进制反序列化中使用位域结构：GCC 是否保证布局？答案

【问题标题】：Using bitfield-structs in binary de-serialization: is layout guaranteed on GCC?在二进制反序列化中使用位域结构：GCC 是否保证布局？
【发布时间】：2023-01-18 00:59:36
【问题描述】：

因此，我正在编写一个将用于反序列化二进制数据流的结构。为了说明这一点，这里有一个精简版：

typedef struct
{
    bool flag1 : 1;
    bool flag2 : 1;
    bool flag3 : 1;
    bool flag4 : 1;
    uint32_t reserved : 28;
} frame_flags_t;

typedef struct
{
    /* Every frame starts with a magic value. */
    uint32_t magic;

    frame_flags_t flags;

    uint8_t reserved_1;
    
    /* A bunch of other things */

    uint32_t crc;
} frame_t;

我的问题是，如果执行以下操作：

frame_t f;

memcpy(&f, raw_data_p, sizeof(frame_t));

我能保证 f.flags.flag1 真的是第一位（在 magic 成员之后，假设是一个整齐打包的结构（它是））？而那个.flags2 将是紧随其后的那个，等等？

据我了解，C 和 C++ 标准并不能保证这一点。海湾合作委员会吗？

【问题讨论】：

显然这是未指定的行为。即使 GCC 不填充这个结构，我也不会使用它...... en.cppreference.com/w/c/language/bit_field
您在那里有多个问题：1）位域具有实现定义的行为。它们不需要以您可能期望的方式放置。而且您似乎假设该结构为 32 位大。当使用不同的类型时，你不应该依赖它。 2) 你的结构 frame_t 可能包含一些填充字节。 3）你的机器的字节序不需要匹配你流中数据的字节序。
我相信，如果您将自己限制在小端架构（或大端架构，如果您能找到的话），您将获得一致的结果。我也相信使用原始结构进行反序列化是一个糟糕的主意，但这是一种非常流行的技术，所以不要让我阻止你。 :-)
使用位域，甚至是普通结构来进行序列化并不是一个好主意。但是既然你问了，this GCC manual page 说基本上是“由 ABI 决定。”.
@user694733 你有什么建议而不是反序列化？一次 memcpying 每个成员？（并使用.flag1 = rawmemory & bitmask;作为位域）？

标签： c gcc bit-fields

【解决方案1】：

我能保证 f.flags.flag1 真的是第一位吗（在 magic 成员之后，假设是一个整齐打包的结构（它是））？

C语言不保证，不。

而那个.flags2 将是紧随其后的那个，等等？

C语言做要求分配给同一可寻址存储单元的连续位域之间没有间隙。这很可能意味着标志最终会占据同一字节中的相邻位，但事实并非如此有就是那个意思

据我了解，C 和 C++ 标准并不能保证这一点。海湾合作委员会吗？

否。结构布局规则是应用程序二进制接口(ABI)，这是操作系统+硬件组合的属性。例如，在 x86_64 上运行的 Linux 有一个 ABI，在 32 位 x86 上运行的 Linux 有一个不同的 ABI，在这些平台上运行的 Windows 也有不同的 ABI。 GCC 支持各种各样的 ABI，它根据目标 ABI 的规则来布局结构。它不能对结构布局的细节做出任何笼统的保证。

例如，相关的适用于 Linux / x86_64 的 ABI是https://www.intel.com/content/dam/develop/external/us/en/documents/mpx-linux64-abi.pdf。关于位域布局，它说：

位域遵循与其他结构相同的大小和对齐规则和工会会员。

还：

位域是从右到左分配的

位字段必须包含在适合其声明类型的存储单元中

位域可以与其他结构/联合成员共享一个存储单元

这实际上并不完全一致，但它对您的frame_flags_t 的解释方式是：

该结构的大小为 4，由一个大小相同的“可寻址存储单元”组成，所有位域都被打包到该单元中

flag1 使用最低有效位

flag2 使用倒数第二位

flag3 使用倒数第三位

flag4 使用倒数第四位

此外，整个frame_t 结构在 Linux / x86_64 上有 4 字节对齐要求，它将以对齐所有成员所需的最小填充进行布局。因此，在这样的机器上，magic 成员和flags 成员之间将没有填充。 x86_64 是 little-endian，因此确实会将标志位放在 magic 之后的第一个字节中在 Linux / x86_64 上.

【讨论】：

谢谢。与此同时，我被指向gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/…，它确认了“一个单元内位域的分配顺序（C90 6.5.2.1、C99 和 C11 6.7.2.1）。-> 由 ABI 确定。”。
此外，这是针对 ARM v7 的，但我从 X86 示例中得到了这个想法。
我很高兴它有所帮助。这里至少有两条消息，@RuiOliveira。一是您可以咨询适当的 ABI 以获得有关给定构建的此类详细信息。第二个是如果你想写便携的软件，那么您将不会依赖结构布局细节，尤其是在涉及位域时。
是的。这适用于在单个设备上运行的特定于平台的应用程序。但该消息对于任何便携式设备都是值得注意的。

【解决方案2】：

此外，这是针对 ARM v7 的，

在此目标上，您可以安全地使用位域，它们的行为由 ABI 明确指定。

【讨论】：